RU1807337C - Устройство дл измерени размеров микрочастиц в жидкости - Google Patents

Abstract

Сущность изобретени : местоположение счетного объема, определ емое рассто нием ., между задней главной плоскостью фокусирующего объектива и кюветной с исследуемой жидкостью и расположением диафрагмы относительно КЮЁВТЫ, соответствует минимуму суммы отклонений сигнала от среднего значени  при исследовании различных жидкостей. 3 ил.

Description

Устройство относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  контрол  твердых примесей в высокочистых жидких средах.

Известны устройства д в измерени  размеров микрочастиц в жидкости использующие регистрацию вспышек света, рассе н ног;,о микрочастицами, пересекающими освещенный счётный объем..

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению  вл етс  автоматизированный счетчик взвешенных частиц в жидкости, Счетчик состоит из осве- . тител  собирающего объектива кюветы с исс- . ледуемой жйдкостью,в которой фокусируетс  излучение осветител , собирающего Объектива , диафрагмы, фотоприемника и блока регистрации . .

. Диафрагма, размещенна  в плоскости изображени  луча, создаваемого собирающим объективом, вырезает в перет жке сфокусированного луча зону - счетный объем. Свет, рассе нный микрочастицами, пересекающими луч осветител , направл етс  собирающим объективом на фотоприемник и преобразуетс  в электрический импульс, который поступает на блок регистрации, где проходит дальнейшую обработку. Размер частицы определ етс  по амплитуде зарегистрированного импульса.

В услови х лаборатории один прибор используетс  дл  контрол  степени очистки высокочистых жидкостей различного химического состава с отличающимис  показател ми преломлени , что вносит дополнительную погрешность в определение размера зарегистрированной микрочастицы. Рассмотрим основные составл ющие этой погрешности,

Интенсивность оптического излучени  рассе нного микрочастицей определ етс  выражением:

(Л

С

00

о ч со со

XI

Jp.«

Jod6fm2-lf A m2+2J

О)

где а- коэффициент пропорциональности; d - диаметр микрочастицы;

Jo - интенсивность падающего излучени ;

m - относительный показатель преломлени  частицы; о

А- длина волны зондирующего излучени  в исследуемой жидкости.

Поскольку микрочастица находитс  в жидкости, то справедливы следующие соотношени ;

(2)

где па - показатель преломлени  частицы; п - показатель преломлени  жидкости.

А АО - -- i

где АО - длина волны излучени  в вакууме. Из (1), (2), (3) получаем;

10

15

20

Вид функции J0(n) определ етс  параметрами оптической части устройства. .

Целью предлагаемого изобретени   вл етс  повышение точности измерений за счет уменьшени  вли ни  показателей преломлени  исследуемых частиц и жидкости.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройстве дл  измерени  размеров микрочастиц в жидкости, содержащее последовательно расположенные осветитель, фокусирующий объектив и кювету с исследуемой жидкостью, в которой сформирован счетный объем, фотоприемник рассе нного излучени , сопр женный через собирающий объектив и диафрагму со счетным объемом ,и блок регистрации, фокусирующий объектив расположен от стенки кюветы на рассто нии, определ емом из услови  минимума в счетном объеме выражени ;

J0n

АО

j П2 -

Ini 4-2П2;

Из выражени  (4) следует, что измерение показател  преломлени  жидкости приводит к изменению интенсивности рассе нного света. Так дл  полистирольных сферических частиц с показателем преломлени  ,58 интенсивность рассе нного света в воде с и серной кислоте с ,43 будет отличатьс  примерна в 2,3 раза.

Втора  составл юща  ошибки измерени  величины рассе нного сигнала возникает по причине изменени  самого Jo - интенсивности излучени , воздействующего на частицу .

Рассмотрим формирование счетного объема согласно схеме установки изложен- ной в прототипе.

Осветитель создает пучок оптического излучени , который фокусируетс  объективом в кювете с исследуемой жидкостью и создает в счетном объеме определению интенсивность светового потока. Счетный объем определ етс  создаваемым собирающим . объективом изображением диафрагмы,уста- новленной перед фотоприемником. При изменении показател  преломлени  жидкости в кювете ход лучей изменитс  (пунктирна  лини ), что приведет к изменению диаметра пучка излучени  в сечении, соответствующем местоположению счетного объема и, соответственно , интенсивности света в счетном объеме . Следовательно, можно записать:

(n).

(4)

25

-1

(6)

где ni.nj- показатели преломлени , соответ30 ственно 1-й и j-й исследуемых жидкостей;

пг - показатель преломлени  микрочастиц ,J

К - число исследуемых жидкостей, Jo(ni),J0(ni) - интенсивность излучени 

35 осветител  в счетном объеме при проведении измерений, соответственно, в 1-той и j-той жидкости. Изобретение по сн етс  фиг.1-3.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства.

40 Устройство состоит из осветител  1, фокусирующего объектива 2; формирующего перет жки пучка света осветител  в кювете 3 с исследуемой жидкостью, собирающего объектива 5, установленной сзади него в

45 плоскости изображени  зондирующего пучка света диафрагмы 6, фотоприемника 7, преобразующего рассе нный микрочасти4 цами свет в электрические импульсы, блока регистрации 8.

50 ..-.

Устройство работает следующим образом .

Микрочастицы}взвешенные в исследуемой жидкости, пересека  счетный объем 4,

55 рассеивают свет, который концентрируетс  собирающим объективом 5 в плоскости диафрагмы 6 и регистрируетс  фотоприемником 7. По величине зарегистрированного фотопри1- емника сигнала определ етс  размер микрочастиц блоком регистрации 8.

Величина зарегистрированного фотоприемником сигнала, при пересечении микрочастицей счетного объема,, пропорциональна интенсивности рассе нного микрочастицей света. Учитыва  (4) и (5) можно записать:

..d6

(n)rV

2 2 А I г ГГ

|п2+2п2

где U - величина зарегистрированного сигнала;

у- коэффициент пропорциональности. Дл  идеального устройства величина сигнала не зависит от показател  преломле- ни  жидкости, что соответствует условию:

U const

Переписав (7) в виде: (n). S(n),

где

.d6

л| n2-n2

S(

(10)

и,продифференцировав (9), учитыва  (8) 30. получим условие независимости величины сигнала от показател  преломлени  жидкости: .

S(n) dJo(n)-Jo(n)d.S(ri),

(П)

S(n) в выражении (11) зависит от показател  преломлени  исследуемой жидкости. Величина Jp(r), зависит и от параметров оптической системы устройства. Подбира  соответствующим образам рассто ние от фокусирующего объектива до кюветы, а также положение счетного объема .в сфокусированном пучке можно добитьс  полной или частичной компенсации изменени  сигнала за счет S(n) изменением интенсивности зондирующего излучени . Точного выполнени  услови  (11), соответствующего идеальному устройетву,м6жно добитьс  лишь дл  узкого интервала показателей преломлени  жидкостей . Поэтому, дл  реального устройства, нужно минимизировать разброс измеренных сигналов в известных жидкост х, дл  контрол  которых примен етс  устройство.

Дл  характеристики качества работы устройства будем пользоватьс  суммой относительных отклонений сигналов от среднего значени  при измерени х во всех видах контролируемых жидкостей. Устройство, дл 

которого эта величина наименьша , будет проводить измерени  с минимальными погрешност ми . Следовательно, нужно подбирать расположение кюветы с исследуемой жидкостью и размещение счетного объема относительно зондирующего луча таким образом , чтобы достигло минимума выражение:

ш,1,1и -Ч.( 2)

где Uj - сигнал от частицы при измерении в

J-той жидкости;

k - число жидкостей; Uc - среднее значение сигнала. Среднее значение сигнала от частицы

равно:.

25 где щ - показатель, преломлени  i-той исследуемой жидкости.

Учитыва  (7) и (13) можно переписать (12) в виде:

- 1

(14)

0

5

0

5

которое соответствует выражению (6).

Рассмотрим, в качестве примера, рас-, чет геометрических параметров устройства, макет которого изготовлен на предпри тии . В качестве осветител  используетс  He-Ne одномодовый лазер, характеризующийс  гауссовым распределением интенсивности в поперечном сечении пучка.

Более подробно ход световых лучей показан на фиг,2.

Фокусирующий объектив с главными плоскост ми Hi Hz преобразует исходный пучок в пучок, имеющий конфокальный параметр Ro и перет жку диаметром ah на рассто нии bo от задней главной плоскости фокусирующего объектива. Если разместить по ходу светового пучка на рассто нии а от задней главной плоскости фокусирующего объектива кювету с исследуемой жид- -костью, имеющей показатель преломлени  п, то ход лучей изменитс  и перет жка будет смещена. При этом конфокальный параметр пучка в жидкости, его диаметр в перет жке.

ft) и положение перет жки b удовлетвор ет соотношени м

(15)

(16) .(17)

Интенсивность излучени  в центре гауссова пучка определ етс  из соотношени :

Б

(18)

где е- коэффициент пропорциональности;

Q- диаметр пучка.

Диаметр пучка на рассто нии S от перет жки определ етс  выражением:

Й

(19)

):

В рассматриваемом случае: - , -(20)

где X - рассто ние от задней главной пло- бкости фокусирующего объектива до счетного объема,.

Из (15Н20) получаем:.

-(21)

GЈ + 4(х. nbo + а(1 - П))2

Подставив (21) в (7), получаем окончаьно: .

-)R2°d6 nf х o&l4 + 4(х - nbo + а(1 - п))2

2

-(21)

njUn2 п. + 2п2

-(22)

Зна  показатели преломлени  жидкостей , которые будут исследоватьс , или,, интервалу котором они наход тс , использу  (22), рассчитываетс  сумма относительных отклонений от среднего значени  величины зарегистрированного сигнала дл  различных значений а и х (рассто ни  от задней главной плоскости фокусирующего объектива до кюветы и зоны регистрации). Рассто ни , дл  которых1;, эта величина достигает минимума и выбираютс  в качестве рабочих .. .

На фиг.З приведены рассчитанные на ЭВМ графики зависимости зарегистрированного устройством сигнала от показател  преломлени  исследуемых жидкостей в интервале от 1;32 до при рассе нии на полистирольных микросферах (,58) в случае известного расположени  счетного объема - крива  1, и согласно предлагаемому устройству - крива  2.

Дл  кривой 1 отношение максимального значени  сигнала к минимальному равно 550, дл  кривой 2-1 Ј, что свидетельствует о значительном повышении точности измерений при применении предлагаемого устройства дл  измерени  размеров микрочастиц в жидкост х.

Таким образом, применение предлагаемого устройства позвол ет повысить достоверность контрол  содержани  твердых

примесей в жидких средах, уменьша  погрешность измерени .

Ф о р м ула изобретени  Устройство дл  измерени  размеров

25 микрочастиц в жидкости, содержащее последовательно расположенные осветитель, фокусирующий объектив и кювету с исследуемой жидкостью, в которой сформирован счетный объем, фотоприемник рассе нного

30 излучени , сопр женный через собирающий объектив и диафрагму со счетным объемом , и блок регистрации, о т л и ч а ю ш, е е- с   тем, что, с целью повышени  точности измерений за счет уменьшени  вли ни  по35 казателей преломлени  исследуемых частиц и жидкостей, фокусирующий объектив расположён от стенки кюветы на рассто нии , определ емом из услови  минимума в счетном объеме выражени :

40 . .-. --.. ;. ., .-. ; .-.

45

где щ, nj - показатели преломлени  соответ- ственно 1-й и j-й исследуемых жидкостей;

Пг- показатель преломлени  микрочастиц;

к - число исследуемых жидкостей; Jo(ni),Jo(nj) - интенсивности излучени  осветител  в счетном объеме при проведении измерений, соответственно в 1-й и j-й жидкост х..

f

фи. 3

,